石油井架模型设计及计算分析

摘 要：针对油田应用很广泛的JJ70/39-K型井架，应用模型相似理论设计了1∶14的实验室井架模型，并运用ANSYS分析软件分别对井架、井架模型进行了力学性质的分析，由分析结果可知：室内井架模型各阶振动频率是室外井架的14倍，且各点对应的应力相等，满足模型相似理论，表明建立的实验室井架模型的有限元模型是正确的，并在此基础上对井架模型的设计提出了优化方案。

关键词：相似理论 ANSYS 井架模型 力学分析

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（c）-0095-02

井架在油田生产中起着重要作用，所以对井架进行各种试验研究非常必要。但有些试验在井架原型上很难开展，所以，对井架进行试验研究最经济合理的方式就是先设计出能反映井架实际的模型，在模型上进行各种研究[1]。周国强等人在1∶8的井架模型上对JJ225/43-K型井架进行了静、动载试验[2]；邹龙庆等对JJ160/41-K型井架模型进行了结构静、动力分析以解决该井架存在的结构问题[3]。本文运用ANSYS软件对JJ70/39-K型井架原型和1∶14比例模型分别进行了静、动力学分析，结果符合模型相似理论，并讨论了模型设计中的具体问题，设计出了1∶14比例模型。

1 模型相似理论

2 井架的有限元模型

2.1 JJ70/39-K型井架有限元模型的建立

采用有限元分析软件ANSYS构建井架空间有限元分析模型。整个井架简化为空间刚架模型，上下体之间销子连接处用梁连接起来（划分为梁单元）。梁单元选用Beam4，单元实常数包括截面积A、厚度TKZ，TKY、截面惯性矩IYY，IZZ五种，立柱选用16 Mn角钢，横拉筋和斜拉筋采用A3角钢。每一根杆件划分为一个单元，共划分为97个节点，225个梁单元。根据实际情况对井架两个大腿直角三角形斜边两端点分别限制除ROTX外其余5个自由度，模拟实际支撑情况（如图1所示），然后加载求解，输出云图。

2.2 实验室井架模型有限元模型的建立

在井架有限元数值模型的基础上，在程序中将井架缩小为原来的1/14，并按照第1节所述的模型相似定理设置模型的实常数（包括杆件截面积A、厚度TKZ，TKY、截面惯性矩IYY，IZZ），再重新划分网络，得到井架模型的有限元模型。

3 实验室井架模型的分析

3.1 实验室井架模型静力分析

根据井架实际受力情况，可以将大钩载荷等效平均分配给井架顶部四个节点。JJ70/39-K型井架的最大大钩载荷为700 kN（4×5轮系），模型比例为1∶14。由模型相似理论外力相似关系可得井架模型顶部四个节点处承载受力为1.116 kN。利用ANSYS分析软件对模型进行静力分析，输出井架模型最大应力分布图、局部坐标系Y面上弯曲应力分布图、局部坐标系Z面上弯曲应力分布图以及井架模型总位移图，分别如图2、图3、图4、图5所示。

从图2可以看出井架模型在下段前立柱的压应力最大，达到了95.8 MPa，在上段和中上段交界处背部横梁处的拉应力最大，达到了50.3 MPa；从图3可以看到，模型上段与中上段交界处弯曲应力最大，达到了51.8 MPa；从图4可以看到井架模型下段立柱处受到的Z面上的弯曲应力较大，最大值达到了21.7 MPa。

从图5可以看出，井架在载荷作用下整体前倾（前开口方向），从下到上，倾斜幅度越来越大，顶部位移量最大，为6.09 mm。

由以上分析可以看出在最大钩载下，井架整体前倾，顶部位移最大。模型下段前立柱受到最大压应力，主要是由轴向应力引起的，上段与中上段交界处受到最大拉应力，主要是模型梁单元上的弯曲应力引起的。井架支腿是井架模型最重要的承受部位，井架模型的主要薄弱点发生在井架模型下段前立柱。

3.2 实验室井架模型模态分析

在ANSYS中选用BlockLanczos方法，对所设计的井架模型进行模态分析，下面给出了模型前十阶模态分析的频率（见表1）。

井架模型的第1阶振动频率为24.0 Hz，是井架原型振动频率的14倍，振动形态为左右向的弯曲振动，振动的位移比较大，达到了1.449 m。第2阶振动频率为25.4 Hz，振动形态为前后向的弯曲振动，振动的位移也比较大，达到了1.152 m。在进行井架模型试验的时候一定要避免共振的产生。

4 井架模型的优化设计

首先，通过原型与模型分析结果对比可得出，室内井架模型各阶振动频率是原型的14倍，且各点对应的应力相等，满足模型相似理论，表明建立的实验室井架模型的有限元模型是正确的。

其次，在设计井架模型时，如果严格按照1∶14的比例去制造，则可能使井架杆件的某些尺寸太小而无法制造。本实验室模型是在满足立柱几何相似的基础上，在保证杆件截面积和截面几何特性基本不变的前提下，横拉筋和斜拉筋的几何相似稍稍放宽。

最后，根据井架模型的受力特征，按照模型相似理论以相似比1∶14设计的井架的实验室模型高度为2.95 m，设计最大钩载（4×5）为3.57 kN。井架模型各段内焊接，各段之间采用螺栓连接。主要结构截面尺寸及材料类型见表2。

通过以上几方面的工作，得出结论有如下几点。

（1）井架支腿是井架模型最重要的承受部位，模型的主要薄弱点发生在井架模型下段前立柱，在实验室进行井架模型实验研究时，应重点关注模型下段前立柱的应力和模型四个顶点处的位移，且应尽量避免共振的产生。

（2）室内井架模型各阶振动频率是室外井架的14倍，且各点对应的应力相等，满足模型相似理论，表明井架模型的有限元模型是正确的。

（3）最终设计的JJ70/39-K型井架的实验室模型高度为2.95 m，立柱采用12×12×1的16 Mn角钢，材料的屈服极限为345 MPa，横拉筋和斜拉筋采用6.5×6.5×0.5的A3角钢，材料的屈服极限为235 MPa，设计最大钩载（4×5）为3.57 kN。井架模型各段内焊接，各段之间采用螺栓连接。

参考文献

[1]秦延龙，杨玉霞.井架实验模型设计[J].石油矿场机械，1993，22（3）：8-11.

[2]杨慧，周国强.JJ225/43-K型井架模型试验研究[J].石油矿场机械，2011，40（2）：49-50.

[3]邹龙庆，赫广田.JJ160/41-K型模型井架结构分析[J].长江大学学报，2009，6（2）：97-99，111.